1、 长春工业大学 毕业设计、毕业论文 题目 单片机控制温度加热系统设计 学院 电气与电子工程学院 专业班级 指导教师 姓名 年月日 长春工业大学本科毕业设计（论文） I 摘 要 在日常生活及工业生产过程中，经常要用到温度的检测及控制，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例。温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。 该设计介绍了一种利用单片机 AT89C51 组成的高精度温度控制系统，从硬件和软件两方面介绍了单片机温度控制系统的设计思路。着重介绍了硬件原
2、理图和程序框图。阐述了系统的工作原理、设计及实现。由 DS18B20 温度传感器芯片测量当前的温 度，并将结果送入单片机。然后通过 AT89S51 单片机对送来的温度进行计算和转换，并将此结果送入液晶显示模块。最后，由 1602 液晶显示器将温度显示出来。它可以实时的显示和设定温度，实现对温度的自动控制，当温度值超出上、下限时自动报警，实现了系统结构简单、性能可靠、控制精度高。同时系统具有扩展性好，分辨率高，测量范围宽，抗干扰性强等特点。 关键词 ： 51 单片机 传感器 DS18B20 长春工业大学本科毕业设计（论文） II ABSTRACT The detection and contro
3、l of temperature is often used in daily life and industrial production process, temperature is one of the important physical parameters of the production process and scientific experiments generally. During the production process, in order to carry out the production efficiently, we must control its
4、 main parameters well, such as temperature, pressure and so on .Temperature control in the production processes a large proportion. Temperature measurement is the basis of temperature-controlling and a more mature technology. A precision temperature control system used AT89C51 SCM and the hardware c
5、ircuit and software of this system are introduced. Schematic diagram of the hardware and procedures is related in emphasis. Working principle, design and implementation is elaborated. The current temperature is measured by DS18b20 temperature sensor and the results is transported into SCM .Then ,the
6、 temperature is calculated and the conversion results is transported into the liquid crystal display modules 1602on show .It can display current temperature which is set randomly and controlled flexibility, and the temperature control.When the temperature is beyond the upper and lower limits of temp
7、erature, the alarm system starts automatically. What is realized in this system is simple structure, reliable performance and high precision control.The system is in good scalability， high-resolution， wide range， anti-interference performance and so on Key Words: 51-series microcomputer Sensor DS18B
8、20 长春工业大学本科毕业设计（论文） III 目录 第一章绪论 . 1 1.1 课题的意义 . 1 1.2 国内外研究状况和发展趋势 . 1 1.2.1 温度检测技术简介 . 1 1.2.2 温度检测技术的发展 . 3 1.3 课题的研究方案 . 4 1.3.1 课题的主要研究的内容 . 4 1.3.2 用单片机实现其具体控制功能 . 4 第二章方案论证 . 5 2.1 题目分析 . 5 2.2 总体方案选择 . 5 2.2.1 方案一热敏电阻加 A/D . 5 2.2.2 方案二数字传感器 . 5 2.3 硬件电路方案的选择 . 6 2.3.1 显示器的选择 . 6 2.3.2 温度传感器
9、的选择 . 6 2.3.3 单片机的选择 . 7 2.3.4 按键电 路的设计 . 7 2.3.5 固态继电器的选择 . 8 2.4 软件方案选择 . 10 第三章硬件电路设计 . 10 3.1 硬件系统框图 . 11 3.2 AT89C51 功能简述 . 11 3.2.1 主要特性 . 11 3.2.2 特性概述 . 12 3.2.3 芯片擦除 . 12 3.2.4 89C51 管脚说明 . 12 3.3 EPROM2764 功能简述 . 15 3.4 RAM6264 功能简述 . 16 3.5 74LS373 功能简述 . 17 3.6 温度传感器 DS18B20 的工作原理 . 17 3
10、.6.1 DS18B20 的概述 . 18 3.6.2 DS18B20 的主要特性 . 18 长春工业大学本科毕业设计（论文） IV 3.6.3 DS18B20 的工作过程 . 18 3.6.4 DS18B20 的测温原理 . 20 3.6.5 温度检测电路设计 . 22 3.7 时钟电路 . 22 3.8 复位电路 . 23 3.9 显示电路 . 25 3.9.1 移位寄存器芯片 74LS164 . 25 3.9.2 七段 LED 数码管 . 26 3.10 加热主电路 . 27 3.11 系统电源 . 28 3.12 报警电路 . 28 第四章 PID 控制算法 . 29 4.1 控制算法
11、 PID 的原理和特点 . 30 4.2 控制算法 PID 的优点 . 31 4.3 控制算法 PID 的参数整定 . 32 第五章软件系统流程图 . 33 5.1 主程序流程 . 34 5.2 DS18B20 的度温度子程序流程 . 34 5.3 PID 算法子程序 . 36 5.4 键盘程序 . 36 总结 . 38 致谢 . 39 参考文献 . 40 附录 1：程序清单 . 42 附录 2：系统原理图 . 55 长春工业大学本科毕业设计（论文） 1 第一章绪论 1.1 课题的意义 现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时
12、采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温 度值，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产，生活。 温度是表征物体冷热程
13、度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要 。 在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。采用 M
14、CS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测 量场合。 1.2 国内外研究状况和发展趋势 1.2.1 温度检测技术简介 一、随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的方法种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法 1： 1.利用物体热胀冷缩原理制成的温度计，利用此原理制成的温度计大致分成三大类。 （ 1） 玻璃温度计，它是利用玻璃感温包内的测温物质 (水银、酒精、甲苯
15、、煤油等 )受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量的； （ 2） 双金属温度计，它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在上一起制成长春工业大学本科毕业设计（论文） 2 的双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双金属片，由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度； （ 3） 压力式温度计，它是由感温物质 (氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等 )随温度变化，压力发生相应变化，用弹簧管压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度值。 2.利用热电效应技术制成的温度检测元件 利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较
16、早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、 精度高、热惯性小等特点。 常用的热电偶有以下几种。 （ 1） 镍铬 -镍硅，型号为 WRN，分度号为 K，测温范围 0-900，短期可测 1200。 （ 2） 镍铬 -康铜，型号为 WRK，分度号为 F，测温范围 0-600，短期可测 800。 （ 3） 铂铑 -铂，型号为 WRP，分度号为 S，在 1300以下的温度可长期使用，短期可测 1600。 （ 4） 铂铑 30 铂铐 6，型号为 WRR，分度号为 B，测温范围 300-1600， 短期 可测 1800。 3.利用热阻效应技术制成的温度计 用此技术
17、制成的温度计大致可分成以下几种。 （ 1） 电阻测温元件，它是利用感温元件（导体）的电阻随温度变化的性质，将电阻的变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。目前常用的有铂热电阻 (分度号为 Pt100、 Pt10 两种 )和铜热电阻 (分度号有 Cu50、 Cu100 两种 )。 （ 2） 导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大负温度系数，也就是说温度升高时，其阻值降低。 （ 3） 陶瓷热敏元件，它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制作而成的热敏元件，常称为 PCT 或 NCT 热敏元件。 PCT 热敏元件分为突变型及缓变型二类。突变型 PCT 元件的温阻特性
18、 是当温度达到顶点时，它的阻值突然变大，有限流功能，多数用于保护电器。缓变型 PCT 元件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大，起温度补偿作用。 NCT 元件特性与 PCT 元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它的阻值减小。 二、近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已经取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化 。 1.晶体管温度检测元件 半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属大 12 个数量级，二级管和三极管的 PN 结电压、电容对温度灵敏度很高。基于 上述测温原理已研制了各种温度检测元件。 长春工业大学本科毕业设计
19、（论文） 3 2.核磁共振温度检测器所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，称为核磁共振温度检测器。这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下，可作理想的标准温度计之用。 3.信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表现代工业过程自动化系统是现场总线控制系统，它是信息技术进入 工业自动化后出现的新一代的自动控制系统。现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式
20、、串行、多点通信的数据总线。所有的现场仪表均接到现场总线上。在这样的系统中，通常不应使用各种不同输出的温度计，必须将输出转变成统一的电信号，这样“温度计”就变成了“温度变送器”。在现场总线控制系统中的温度变送器主要是热电偶变送器和热电阻变送器，也有辐射温度变送器。 1.2.2 温度检测技术的发展 生产管理一体化、网络化是当今工业自动化控制领域的大趋势，要实现这些功能，必须借助于工业计算机、现场网络及 开放的工业数据库。利用先进技术手段监测各种复杂生产环境的被控参数（如温度、流量及压力等），使生产和管理一体化，可以有效地提高生产和管理的自动化水平。温度追踪测量（也可以称作是温度分布测定技术）是一
21、种利用微机来实现数据采集、数据通讯传输和数据分析处理的一门新技术，是在生产过程中记录和说明热加工产品与空气温度关系的技术，追踪测量得到的数据被显示为图表或数字。这个过程最简单的形式就是它可以告诉生产者所生产的产品的温度、保持这个温度有多长时间以及在什么时间达到了什么温度。通过分析数据，生产人员可以保证产品达到最好的 质量、解决产品存在问题、优化生产工艺路线及节约能耗。 1.国内外温度检测技术动向 (1)扩展检测范围 现在工业上通用的温度检测范围为 -2003000，而今后要求能测量超高温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如 10K 以下的温度检测是当前重点研究课题。 (2)扩大测
22、温对象 温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。 (3)发展新型产品 利用以前的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。 长春工业大学本科毕业设计（论文） 4 2.国内外温度检测发展趋势 根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展： (1)继续生产量大面广的传统的温度检测元件，如 :热电偶、热电阻、热敏电阻等。 (2)加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。如近来已经开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶
23、热敏电阻温度检测器等。 (3)向智能化、集成化、适用化方向发展。新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展，向机电一体化方向发展。 1.3 课题的研究方案 1.3.1 课题的主要研究的内容 本次所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。水箱水温控制部分，提出了用 DS18S20、 AT89C51 单片机及 LED 的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，利用 DS18S20 与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超 出设定的上下限温度的报警系统。而炉内温度控
24、制部分，采用一套 PID 闭环负反馈控制系统，由 DS18S20 检测炉内温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在 LED 中 显示。控制器是用 89C51 单片机，用 PID 算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制炉内温度。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点 2-1，特别适合于构成多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片 DS18S20 都有唯一的产品号，可以一并存入其 ROM 中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个 DS18S
25、20芯片。从 DS18S20 读出或写入 DS18S20 信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的 DS18S20 供电，而且不需要额外电源。同时 DS18S20 能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。 1.3.2 用 单片机实现其具体控制功能 1.用单片机 AT89C51 控制，能够连续测量水的温度
26、值，用十进制数码管来显示水的实际温度。 2.能够设定水的温度值，设定范围是小于等于 100 度 3.温度控制精度：设定 值 1 度 长春工业大学本科毕业设计（论文） 5 第二章方案论证 2.1 题目分析 利用单片机结合温度传感器实现对水温进行控制，加热范围： T=10 100 ，控制精度： 1 ，加热功率 :P=5kw,择相应的控制算法。 2.2 总体方案选择 2.2.1 方案一热敏电阻加 A/D 测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计
27、需要用到 A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。 2.2.2 方案二数字传感器 在温控系统中，直接采用数字传感器 DS18B20，由于它体积更小、适用电压更宽、更经济现场温度直接以“一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，系统里安放一个 DS18B20 悬挂于水箱中间 .通过这这个回馈温度与设定温度相比较得到偏差，后输出控制脉冲，该控制脉冲经过触发三极管，使之触发，使固态继电器导通，程序控制同步触发脉冲的来临时间，从而控制继电器的通断时间，以达到对电热阻丝温度的调节和功率的改变实现对水的恒温和升温控制。系统硬件电路由温度检测、单片机与键盘 /显示器、固态继 电器控制电路等部分组成如图 2-1 所示。 图 2-1 系统的控制方案 框图 综上所述的两种方案，该设计选用方案二比较合适。 控制器 执行机构 被控对象温度反馈eW +Y
